水下无人航行器组合导航研究
本科毕业设计论文题目水下无人航行器组合导航研究
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间2014.06
毕业
任务书
一、题目
水下无人航行器组合导航研究
二、指导思想和目的要求
1.利用已有的专业知识，培养学生的解决实际工程问题的能力
2.锻炼学生的科研工作能力和培养学生团队合作及攻关能力
三、主要技术指标
1.捷联惯导原理分析及模型建立
2.应用卡尔曼滤波方法建立组合导航系统模型
3.应用matlab进行仿真实现
四、进度和要求
第01周----第02周：撰写开题报告；
第03周----第05周：组合导航相关基础知识学习；
第06周----第07周：熟悉Matlab等相关软件；
第08周----第13周：设计组合导航滤波方案和滤波器结构；
第14周----第16周：对设计方案进行实验验证；
第17周----第18周：撰写毕业设计论文，论文答辩。
五、主要参考书及参考资料
[1]胡小平．自主导航理论与应用．国防科技大学出版社．2002.
[2]万海. 多传感器数据融合及其应用. 西安电子科技大学出版社. 2004.
[3]干国强. 导航与定位. 国防工业出版社. 2000.
[4]秦永元. 卡尔曼滤波与组合导航原理西北工业大学. 1998.
[5]邹维宝. INS/GNSS/SAR组合导航系统及其智能化信息融合技术的研究. 西北
工业大学.
[6]Dasgupta Sumantra. An augmented-reality-based real-time panoramicvisi
on System for autonomous navigation．IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics Part A：Systems and Humans．2006.
I
[7]Kalman R E. A new approach to liner filtering and prediction problems
Journal of Basic Engineering Trans.On ASME. 1960.
学生___________ 指导教师___________ 系主任___________
II
摘要
传统的导航系统很难满足水下航行器精确导航定位的要求，尤其在长续航、大航程时问题尤为突出。本文结合国内外导航技术发展的实际状况和发展方向，同时考虑水下航行器使用的特殊性，设计了水下航行器组合导航系统，通过定时引入GPS导航信息，解决了捷联惯导和多普勒组合导航情况下，定位误差随时间而积累的问题，通过仿真研究，结果表明本文所研究的设计方案合理，能够效提高长续航、大航程时水下航行器的定位精度。
全文理论研究工作和研究成果如下：
1 水下航行器的捷联惯导系统设计。详细推理了捷联惯导系统的基本导航算法,进行了捷联惯导基本的位置、速度、姿态的公式推理。并系统分析了捷联式惯导系统的误差特性，同时建立了其误差模型方程。
2研究了全球定位系统(GPS)和多普勒导航系统。对全球定位系统和多普勒导航系统导航定位的基本组成、导航原理进行了研究，分析了其误差来源并建立了相应的误差基本模型。
3设计了水下航行器组合导航系统。在综合各种导航系统误差的基础上，针对长续航、大航程水下航行器的导航特点，通过航行器定时上浮接受GPS导航信息，设计了水下航行器组合导航系统。仿真结果表明在定时引入GPS导航信息后，该导航系统能够使水下航行器定位精度有很大提高，基本克服了SINS/DVL 组合导航系统中定位误差随时间累积的问题。
关键词:水下航行器，捷联惯性导航，GPS，多普勒导航，组合导航
III
水下机器人地形辅助导航(英文)
Advanced Robotics,Vol.15,No.5,pp.533–549(2001) óVSP and Robotics Society of Japan2001. Full paper Towards terrain-aided navigation for underwater robotics STEFAN WILLIAMS¤,GAMINI DISSANA YAKE and HUGH DURRANT-WHYTE Australian Centre for Field Robotics,Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, University of Sydney,NSW2006,Australia Received27July2000;accepted19November2000 Abstract—This paper describes an approach to autonomous navigation for an undersea vehicle that uses information from a scanning sonar to generate navigation estimates based on a simultaneous localization and mapping algorithm.Development of low-speed platform models for vehicle control and the theoretical and practical details of mapping and position estimation using sonar are provided. An implementation of these techniques on a small submersible vehicle‘Oberon’are presented. Keywords:Terrain-aided navigation;localization;mapping;uncertainty;autonomous underwater vehicle. 1.INTRODUCTION Current work on undersea vehicles at the Australian Centre for Field Robotics concentrates on the development of terrain-aided navigation techniques,sensor fusion and vehicle control architectures for real-time platform control.Position and attitude estimation algorithms that use information from scanning sonar to complement a vehicle dynamic model and unobservable environmental disturbances are invaluable in the subsea environment.Key elements of the current research work include the development of sonar feature models,the tracking and use of these models in mapping and position estimation,and the development of low-speed platform models for vehicle control. While many land-based robots use GPS or maps of the environment to provide accurate position updates for navigation,a robot operating underwater does not typically have access to this type of information.In underwater scienti c missions, a priori maps are seldom available and other methods for localisation must be considered.Many underwater robotic systems rely on xed acoustic transponders that are surveyed into the robot’s work area[1].These transponders are then ¤To whom correspondence should be addressed.E-mail:stefanw@https://www.360docs.net/doc/396839183.html,.au
无人水下航行器声呐装备现状与发展趋势
无人水下航行器声呐装备现状与发展趋势 无人水下潜航器（UUV）最早出现于20世纪60年代。在发展初期，UUV主要用于深水勘探、沉船打捞、水下电缆铺设及维修等民用领域，后逐步扩展应用于水下声源探测、协助潜艇深水避雷、港口战术侦察等军事领域。近十几年来，随着平台、推进器、导航、控制系统以及传感器技术的发展，加上现代战争追求人员零伤亡的理念，UUV的军事应用得到高度重视，其在水下侦察、水下通信和反潜、反水雷作战、信息作战等领域的应用得到了空前发展。 美国国防部于2007～2013年间前后发布了4版《无人系统（一体化）路线图》，其中针对UUV的4个级别将任务按优先级扩充为17项，如表1所示：
美海军于2000年和2004年分别发布两版《海军无人水下潜航器总体主规划》，将UUV（不分级别）的任务按优先顺序归纳为9类：①情报/监视/侦察（ISR）；②水雷对抗（MCM）；③反潜战（ASW）；④检查/识别；⑤海洋调查； ⑥通信/导航网络节点（CN3）；⑦载荷投送；⑧信息作战； ⑨时敏打击。 不论是《海军无人水下潜航器总体主规划》，还是《无人系统（一体化）路线图》，这几版文件中对于所有级别的
UUV，情报/监视/侦察（ISR）、检查/识别和水雷对抗（MCM）这3项任务的排序都十分靠前，这也印证了在当今复杂国际环境下美国海军对于这3项UUV任务执行的迫切需求。 UUV执行各项任务无一不需要声呐的配合，尤其是对于ISR、检查/识别和MCM，声呐性能的优劣，往往是任务完成度的决定性因素。根据功能的不同，UUV声呐装备主要分为三大类：通信声呐、导航声呐和探测声呐，如图1所示。 通信声呐主要用于UUV与协同行动的其他UUV、母船（艇）或通信浮标之间的信息链接；导航声呐为UUV的安全航行和执行作业任务提供其位置、航向、深度、速度和姿态等信息；探测声呐主要用于警戒、探测、识别水中或沉底目标信息，对水下地形、地貌、地质进行勘察和测绘。承担不
水库水下地形测量中GPS结合测深仪应用
水库水下地形测量中GPS结合测深仪应用 摘要：随着GPS技术的不断发展，RTK技术的出现和计算机技术的飞速发展，平面定位技术实现了高精度、自动化、数字化和实时化。随着探测技术的数字化和 自动化，为水下地形测量数字化、自动化和水利测量提供了基础，为测绘提供了 先进的手段。文章介绍GPS结合测深仪在水下地形测量中的实际应用、测深设备 的基本工作原理，以及在测量过程中会遇到的问题及处理方法。 关键词：水下地形测量；GPS；测深仪 0引言 水下地形测量在许多工程建设项目上有着重要的作用，它可以为桥梁、码头、水库、港口等工程建设项目提供必要的基础数据，是现代水利工程中的一项重要 工程技术。由于传统水下测量模式存在着诸多弊端，譬如测量难度大、数据不精确、不能反映真实水下地形等问题。现代的“GPS+数据处理软件+测深仪”的测量 模式逐步取代传统的测量模式。 1控制测量 水下地形测量应与地面上的国家控制点或高级控制点构成统一整体，只在需 求的情况下单独建立水下地形测量的高程和平面控制。 2水下地形测量 2.1数字测深仪的工作原理 数字测深仪是利用声波的传导特性，实现水下地形测量的仪器。数字测深仪 的原理是通过振荡器发出超声波后遇到障碍物，再通过接收器接收反射回的声波，通过时间差t，求出距离D=Ct/2，C为超声波波速。 2.2水下地形测量系统组成 水下地形测量利用GPSRTK和数字测深仪、计算机联合使用作业。作业人员 应在测量前将测区的范围图导入计算机，按规范要求在测量前设计好测线，测量 时应按照测线进行测量活动。利用RTK的定位定向功能指导船只航行。利用计算 机的测深软件实时观测船只的航向、航速、船只的平面坐标、水深及RTK的解状态。声波在水中传播速度受到水温、水深、水的盐度等因素的影响，因此要进行 相关参数的修改，同时可以利用声抛仪辅助修改相关参数，用以获得准确的测深 数据。 2.3水下地形测量工作原理 用测深仪专用连接杆连接测深仪与RTK，再将连接好的连接杆安装在船只上，将测深仪没入水下，连接杆要始终保持垂直于水面，并保持连接杆与船只的相对 位置不变，RTK可以实时的获得平面坐标与高程坐标，由RTK所获得的高程减去RTK距水面的高度。同时船只有一定程度的摇晃及水流的波动，因此，此时所获 得的水面高程仅为参考值。所以要求我们在工作时选择较大型的船只，同时注意 保持航速，航速不宜过快，保证数据的准确性。 2.4水下地形测量具体过程 实际工作中三人即可完成操作，由一人驾驶船只，船只要按既定航线行驶， 同时保持船只行驶速度，速度不宜快。一人利用电脑操作GPS接收机和测深仪， 实时观测数据及解状态，另一人利用声抛仪每隔一段距离测量一次声速，用以进 行声速改正，如发现问题，及时处理。 2.5设备的安装 所选用的船只尽量选择大而稳的。测深仪的换能器要尽量远离船只的发动机、
无人水下航行器声呐装备现状与发展趋势
无人水下潜航器（UUV）最早出现于20世纪60年代。在发展初期，UUV主要用于深水勘探、沉船打捞、水下电缆铺设及维修等民用领域，后逐步扩展应用于水下声源探测、协助潜艇深水避雷、港口战术侦察等军事领域。近十几年来，随着平台、推进器、导航、控制系统以及传感器技术的发展，加上现代战争追求人员零伤亡的理念，UUV的军事应用得到高度重视，其在水下侦察、水下通信和反潜、反水雷作战、信息作战等领域的应用得到了空前发展。 美国国防部于2007～2013年间前后发布了4版《无人系统（一体化）路线图》，其中针对UUV的4个级别将任务按优先级扩充为17项，如表1所示。 表1 不同级别UUV任务需求优先级
美海军于2000年和2004年分别发布两版《海军无人水下潜航器总体主规划》，将UUV（不分级别）的任务按优先顺序归纳为9类：①情报/监视/侦察（ISR）；②水雷对抗（MCM）；③反潜战（ASW）；④检查/识别；⑤海洋调查；⑥通信/导航网络节点（CN3）；⑦载荷投送；⑧信息作战；⑨时敏打击。
不论是《海军无人水下潜航器总体主规划》，还是《无人系统（一体化）路线图》，这几版文件中对于所有级别的UUV，情报/监视/侦察（ISR）、检查/识别和水雷对抗（MCM）这3项任务的排序都十分靠前，这也印证了在当今复杂国际环境下美国海军对于这3项UUV任务执行的迫切需求。 UUV执行各项任务无一不需要声呐的配合，尤其是对于ISR、检查/识别和MCM，声呐性能的优劣，往往是任务完成度的决定性因素。根据功能的不同，UUV声呐装备主要分为三大类：通信声呐、导航声呐和探测声呐，如图1所示。 图1 UUV主要声呐装备
水下无人航行器组合导航研究
本科毕业设计论文题目水下无人航行器组合导航研究 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间2014.06
毕业 任务书 一、题目 水下无人航行器组合导航研究 二、指导思想和目的要求 1.利用已有的专业知识，培养学生的解决实际工程问题的能力 2.锻炼学生的科研工作能力和培养学生团队合作及攻关能力 三、主要技术指标 1.捷联惯导原理分析及模型建立 2.应用卡尔曼滤波方法建立组合导航系统模型 3.应用matlab进行仿真实现 四、进度和要求 第01周----第02周：撰写开题报告； 第03周----第05周：组合导航相关基础知识学习； 第06周----第07周：熟悉Matlab等相关软件； 第08周----第13周：设计组合导航滤波方案和滤波器结构； 第14周----第16周：对设计方案进行实验验证； 第17周----第18周：撰写毕业设计论文，论文答辩。 五、主要参考书及参考资料 [1]胡小平．自主导航理论与应用．国防科技大学出版社．2002. [2]万海. 多传感器数据融合及其应用. 西安电子科技大学出版社. 2004. [3]干国强. 导航与定位. 国防工业出版社. 2000. [4]秦永元. 卡尔曼滤波与组合导航原理西北工业大学. 1998. [5]邹维宝. INS/GNSS/SAR组合导航系统及其智能化信息融合技术的研究. 西北 工业大学. [6]Dasgupta Sumantra. An augmented-reality-based real-time panoramicvisi on System for autonomous navigation．IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics Part A：Systems and Humans．2006. I
联邦滤波器的SINS-GNS-DVS水下组合导航
Ｖ０１．３４，Ｎｏ．１２火力与指挥控翩第３４卷第１２期Ｄｅｃ．２００９ＦｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌ＆ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ２００９年１２月 文章编号：１００２一０６４０（２００９）１２—００４１—０３ 联邦滤波器的ＳＩＮＳ／ＧＮＳ／ＤＶＳ水下组合导航＊ 刘明雍１，周（１．西北工业大学航海学院，陕西西安７１００７２。２．志远１，赵涛２ 中国兵器工业集团第２０２研究所．陕西咸阳７１２０９９） 摘要：针对现有的水下导航系统不能全面满足ＡＵＶ导航的需要。为了提高水下航行器组合导航系统长时间．远航程的隐蔽性，可靠性及精度，提出了一种基于联邦滤波器的惯性导航系统、地磁导航、多普勒速度声纳的组合导航方案．并采用简化自适应卡尔曼算法对水下航行器组合导航系统进行误差估计。解决了传统卡尔曼滤波容易发散的问题。仿真结果表明，在ＳＩＮＳ／ＧＮＳ／ＤＶＳ组合导航中采用该算法。提高了定位精度．保证了滤波的快速性，验证了该算法的可行性和正确性。 关键词：组合导航。自适应卡尔曼滤波器，地磁导航 中图分类号：Ｕ６６６．１ｌ文献标识码：Ａ ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳＩＮＳ／ＤＮＳ／ＤＶＳＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＮａｖｉｇａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＦｅｄｅｒａｌＦｉｌｔｅｒ ＬＩＵＭｉｎｇ－ｙｏｎ９１，ＺＨＯＵＺｈｉ—ｙｕａｎｌ，ＺＨＡＯＴａ０２ （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｒｉｎｅ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｘｉ’ａｎ７１００７２。Ｃｈｉｎａ。 ２．ＮＯ．２０２ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＯｒｄｎａｎｃｅＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ｘｉａｎｙａｎｇ７１２０９９。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｏｆｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａｎｎｏｔｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｓｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｔｈｅＡＵＶｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｌｏｎｇｒａｎｇｅａｎｄｄｅｅｐｗａｔｅｒａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｆｉｌｔｅｒａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＦｅｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆＤｏｐｐｌｅｒｓｐｅｅｄｓｏｎａｒ，ｍａｇｎｅｔｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｆｏｒａｄａｐｔｉｖｅＫａｌｍａｎＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｅｒｒｏｒｅｓｔｉｍａｔｅｓｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｈｏｄｃａｎｉｍｐｏｒｖｅｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｔｈｅｓｐｅｅｄｉｎｅｓｓｏｆｔｈｅｆｉｌｔｅｒｉｓｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ａｄａｐｔｉｖｅｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒ，ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎ 引言 当前水下组合导航定位普遍采用ＳＩＮＳ／ＧＰＳ／ＤＶＩ。方案。由于ＧＰＳ信号在水下很快衰减，故航行器需定期上爬到近水面，使ＧＰＳ天线露出水面，来接收ＧＰＳ的定位信息，对由陀螺罗经和多普勒速度 收稿日期：２００９—０１—０５修回日期：２００９—０３—１８ ＊基金项目：教育部新世纪优秀人才支持（ＮＣＥＴ一０６—０８７７）； 国家“８６３”计划基金资助项目（２００７ＡＡ０６７６）作者简介：刘明雍（１９７１一），男。湖北石首人．教授。博士生导师．主要研究方向：控制理论与应用。水下 航行器导航与制导。仪组成的自主导航系统进行位置校准。然而随着水下航行器的应用范围、下潜深度不断扩展，特别是军事领域内对其隐蔽性的要求，常规组合方案越来越难以满足需求。作为无源导航技术的地磁导航为实现这一目标提供了新的技术途径。国内外的研究中对地磁导航的研究有很多成果。如文献［１，２］。但是，地磁导航在水下导航方面的应用，所做研究很少。 考虑上述问题，本文提出了一种ＳＩＮＳ／ＧＮＳ（地磁）／ＤＶＳ组合方案，该方法以地磁场模型解算地磁场强度的方式来得到精确位置信息，辅以精确计时进而获得速度信息；以地磁系统获取的速度、位置信息与惯导系统输出的速度、位置信息的差值作为量 万方数据
美军水下无人系统发展探讨
美军水下无人系统发展探讨 发表时间：2019-01-11T15:08:36.013Z 来源：《新材料·新装饰》2018年7月上作者：黄凤军 [导读] 美军试图通过大力发展以自主潜航器为主体的水下战无人装备，加强前沿水下无人系统预置，全力推进水下无人区域监控系统布建，突出攻关水下自主导航、通信组网、自主协同等先进技术 海军装备部 摘要：美军试图通过大力发展以自主潜航器为主体的水下战无人装备，加强前沿水下无人系统预置，全力推进水下无人区域监控系统布建，突出攻关水下自主导航、通信组网、自主协同等先进技术，打造新型水下作战体系。本文对美军的水下无人系统的发展进行了论述。关键词：水下无人系统；美国海军；无人潜航器；水下战 1 突出水下无人系统对于联合作战的重要性 长期以来，美国海军对于水下无人系统的研发和应用更多偏重于执行ISR和反水雷等作战辅助任务。随着海军作战能力需求的变化，水下无人系统能力的提升，美国海军正重新审视水下无人系统在联合作战中的地位与作用。 1.1 积极利用水下无人系统增强水下综合作战能力 美国海军认为，美国的潜在对手正在构建能对美军舰艇及水下基础设施形成威胁的能力，美国在水下战领域的优势正不断被削弱。而核潜艇等先进水下平台，由于建造和使用成本高昂，数量上无法完全满足作战需求，迫切需要补充新型作战力量，与潜艇形成优势互补，从而增强综合水下战能力。《下一代水下无人系统》报告指出，水下无人系统能够有效补充并拓展有人水下系统的能力，对当前因缺乏有效作战手段而难以执行的军事任务，可由无人作战系统来完成，即便是核潜艇能够完成的任务，水下无人系统的协同和配合也能大幅提高作战效能。 1.2 积极增强水下无人系统跨域协同作战能力 如何充分发挥水下作战优势以弥补其他作战领域面临的严峻挑战，是美国海军重点关注的问题。创造性地使用水下无人系统，能为美国海军提供全新作战能力。美国海军认为，未来水下无人系统的应用模式将主要是联合使用和分布式作战，联合形式包括：多形态无人系统跨域协同或组网、异构无人系统协同或组网、子母式无人系统接力作战、跨介质组合式无人系统等。美国海军于2016年“先进海军技术演习”期间，演示了“潜艇-无人潜航器-无人机”子母式协同作战的能力。上浮式有效载荷和深海预置武器等新概念装备的出现，也可视为该努力的一部分。 1.3 规模化发展水下战无人装备 在无人潜航器方面，重点发展巨型、滑翔型、仿生型等自主无人潜航器。据有关资料显示，美无人潜航器2020年可能达到1000套左右，2025年可能达到2000套左右。 巨型自主无人潜航器典型代表为“大排水量无人潜航器”，长13.5米，直径1.5米，排水量约10吨，设计续航时间为120天，自主性强，可携带多种载荷，能遂行多种任务，计划2017年服役，2020年前装备一个中队。 滑翔型无人潜航器具有低成本、低功耗和长航时等特征，适合担负大范围海洋调查、长时间水下侦察监视等任务，已入役的有“喷射”“斯洛克姆”“海洋滑翔者”“近海战场感知—滑行者”等，美军将加大这些滑翔型自主无人潜航器的采购数量。 仿生型无人潜航器如“幽灵泳者”“间谍水母”等。反潜无人水面艇方面，重点发展“反潜持续跟踪无人艇”。“反潜持续跟踪无人艇”满载排水量约157吨，最大速度为27节，作战半径为3000千米，可在不补充燃料的情况下持续执行30天跟踪任务，暴露水面外体积小，且经过隐身设计，噪声小，平台稳性好，机动能力强，具有高可靠性，自主化程度高。 潜射无人机方面，目前重点发展“潜射扫描鹰”“黑翼”等型号。潜射无人机可能担负的任务包括ISR、电子战以及对抗反潜机等。 美海军在小克里克-斯多利堡联合远征基地（JEBLC-FS）完成了对“幽灵泳者”（GhostSwimmer）无人潜航器的系列试验。 2 探索水下无人系统的创新性作战样式 随着先进军事技术的进步和能力的提升，水下无人系统可胜任的任务边界也不断扩展。《2025年自主水下航行器需求》报告在传统的ISR、反水雷等7项使命任务外，又面向未来作战，提出了海床战、反无人潜航器战和非致命海上控制等创新性作战概念。 2.1 海床战 海床战指在敌方近海实施的、对敌方海床基础设施和无人预置传感器及武器进行干扰和打击的水下作战。由于潜在对手正积极发展反潜飞机、舰艇、潜艇、海床武器和传感器系统，以探测、定位和攻击其他国家的潜艇。因此，水下兵力在敌方“反介入/区域拒止” (A2/AD)作战区域内执行多样化任务时，面临的风险不断增大。所以，美国海军提出开发相关能力，以致瘫、欺骗和摧毁敌方海床基础设施、无人反潜传感器与系统等要害军事目标。 2.2 反无人潜航器战 反无人潜航器战指采用多种手段，使敌方难以运用无人潜航器等水下无人系统进行有效作战，作战环境包括前沿作战和领海防御作战两种。美国无人潜航器能力不断发展，但潜在对手也在发展其自主潜航器能力，并且正迅速接近美国水平。因此，美国海军希望研发相关方法、技术与战术，以应对敌方无人潜航器的探测、侦察以及在必要时对敌方无人潜航器进行攻击。 3 建立面向实用的水下无人系统采办理念 美国海军认为，当前的水下无人系统采办理念源于潜艇等有人主战平台的研发和采办，对于系统综合能力要求过高，采办过程繁琐，不适合水下无人系统这种采购量大且作战寿命有限的低成本系统，迫切需要转变装备建设思路。 3.1 有选择地降低战技性能要求 美国海军研究发现，当前水下关键技术发展仍面临瓶颈，过高要求隐身、水下通信、自主控制、能量存储、部署和回收等能力，在一定程度上反而制约了水下无人系统的应用。因此应考虑从实用性出发，改变设计思路，有选择地降低战技性能要求，有助于克服某些困扰水下无人系统发展的技术障碍。如放松对隐身的限制，则水下无人系统可定期浮出水面，从而改善水下无人系统的通信能力，也使其可
水下导航定位系统在水下作业中的应用
水下导航定位系统在水下作业中的应用 【摘要】水下导航定位技术是一种集成了导航测姿、水声定位、GPS定位的综合性技术，可广泛应用于水下作业中，如引导潜水员进行打捞、对水下目标进行精确定位等等。介绍了水下导航定位系统的组成结构，以及在水下作业中的应用。 【关键词】超短基线；水声定位；导航测姿；水下作业 1.引言 由于深水区域往往能见度较低，且水下周围一般没有参照物，因此潜水员在进行打捞、救助等水下作业活动时，常常会无法准确辨别自身所处位置，无法获知与工作船、打捞目标之间的相对位置关系，给水下作业带来一定困难。为提高水下搜索作业效率，实现指挥员对潜水员的实时监控，需要配备水下导航定位系统，对潜水员的绝对位置进行精确定位，并引导潜水员进行水下作业。 2.水下导航定位系统的组成 水下导航定位系统一般主要由超短基线水声定位系统（USBL）、导航测姿系统、GPS系统以及潜水导航系统组成。如图1所示。 图1 水下导航定位系统组成 2.1 超短基线水声定位系统 超短基线水声定位系统主要由超短基线声基阵、声信标以及水声定位处理计算机组成。超短基线声基阵向水下发送询问信号，声信标接收到询问信号后，向超短基线声基阵发送应答信号，水声定位处理计算机根据超短基线各基元接收到的应答信号的延时，来解算声信标的相对距离和方位，从而对声信标进行定位[1]。声信标一般安装在待定位设备上或者由潜水员随身携带。 图2 法国iXSea公司研制的GAPS 图2是法国iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基线水声定位系统，该系统主要由超短基线水声定位基阵、GPS定位系统以及Octans光纤罗经。 GAPS系统的精度较高，且无需对导航测姿系统以及GPS定位系统进行校准，但其造价昂贵，用于一般水下作业性价比较低。 图3 Scout+超短基线水声定位系统
水下机器人发展趋势
关键词：水下机器人、智能水下机器人、智能体系、运动控制、通讯导航、探测识别、高效能源 随着人类海洋开发的步伐不断加快，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段得到了空前的重视和发展。作者对水下机器人进行了定义与分类。介绍了近年来国内外水下机器人的发展现状与发展趋势，重点针对智能水下机器人的主要关键技术及未来发展方向进行了分析。地球的表面积为5．1亿km2，而海洋的面积为3．6亿km2。占地球表面积71％的海洋是人类赖以生存和发展的四大战略空间——陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，不但是目前最现实的，而且是最具发展潜力的空间。作为蓝色国土的海洋密切关系到人类的生存和发展，进入21世纪后，人类更加强烈的感受到陆地资源日趋紧张的压力，这是人类面临的最现实的问题。海洋即将成为人类可持续发展的重要基地，是人类未来的希望。水下机器人从20世纪后半叶诞生起，就伴随着人类认识海洋、开发海洋和保护海洋的进程不断发展。专为在普通潜水技术较难到达的区域和深度执行各种任务而生的水下机器人，将使海洋开发进人一个全新的时代，在人类争相向海洋进军的21世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段必将得到空前的重视和发展[1]。 1海洋对人类的重要性
海洋作为蓝色国土，首先是一个沿海国家的“门户”，是其与远方联系的便捷途径，并且“门户”的安全是国家安全的重要组成部分，早在2 500多年前古希腊海洋学家锹未斯托克就提出过“谁控制了海洋，谁就控制了一切”。很久以来人们就依赖于海洋航道进行大量的物品贸易，现在整个世界大部分的货物运输都依赖于海上运输，海洋运输是整个经济正常运转必要的一环。更重要的是，现在很多国家的石油、矿石等最基本的生产资料大部分都依赖于海洋运输，海洋运输的安全和对海洋的控制力成为一个国家生存的基本保障。 近年来再次掀起海洋热的浪潮是因为陆上的资源有限，很多资源已经开发殆尽，而海洋中蕴藏着丰富的能源、矿产资源、生物资源和金属资源等，人们急需开发这些资源以接替所剩不多的陆上资源来维持发展。更为重要的是，地球上半数以上面积的海洋是国际海域，这些区域内全部的资源属于全体人类，不属于任何国家。但目前的现状是只有少数国家有能力对这些资源进行初步开采，这些国家在其已探明的区域拥有优先开采权，相对于那些没有能力开采的国家这几乎就等于独享这部分资源。因此海洋已经成为国际战略竞争的焦点，争夺国际海洋资源是一项造福子孙后代的伟大事业。所以水下技术成为目前重点研究的高新技术之一，智能水下机器人作为高效率的水下工作平台在海洋开发与利用中起到至关重要的作用。 2水下机器人的定义与分类
无人水下航行器控制技术研究
本科毕业设计论文无人水下航行器控制技术研究 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间
毕业 一、题目 无人水下航行器控制技术研究； 二、指导思想和目的要求 1、利用已有的专业知识，培养学生解决实际工程问题的能力； 2、锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力； 三、主要技术指标 1. 研究无人水下航行器控制算法； 2. PID控制的仿真； 四、进度和要求 第01周----第02周：英文翻译； 第03周----第04周：学习水下航行器动力学与控制方法； 第05周----第10周：研究水下航行器控制算法； 第11周----第16周：设计演示程序； 第17周----第18周：撰写毕业设计论文，论文答辩； 五、主要参考书及参考资料 [1] 《Developments and Challenges for Autonomous Unmanned Vehicles》Anthony Finn, Steve Scheding, Springer; 2010 [2] 《Underwater Robots: Motion and Force Control of Vehicle-Manipulator Systems》Gianluca Antonelli, Springer; 2nd edition 2006 [3] 《Introduction to Autonomous Manipulation: Case Study with an Underwater Robot, SAUVIM 》 Giacomo Marani,Junku Yuh , Springer; 2014 学生指导教师系主任___ _
我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介
我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介 北极星电力网新闻中心2008-11-12 11:04:48 我要投稿 关键词：GPS 我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介 “863”计划“水下GPS高精度定位系统”课题组 摘要由国家"863"计划资助的我国首套水下GPS高精度定位导航系统已研制成功，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。该系统可从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还利用GPS技术，实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。 关键词水下GPS 定位导航系统用户 由国家"863"计划资助的我国首套水下GPS高精度定位导航系统研制成功，经在浙江省千岛湖进行的试验表明，对于水深45m左右的水域，系统的水下定位精度为5em，测深精度为30cm，水下授时精度为0.2ms，且测量误差不随时间累积。这是继美国和法国之后，我国科学家自主研制开发的精度好、功能强、自动化程度高的水下GPS系统。该系统不但可用于从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还率先利用GPS 技术实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。该系统的成功研制，将打破个别发 达国家对水下高精度定位技术的垄断，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。 一、系统构成 水下GPS定位导航系统主要由GPS卫星星座、差分GPS基准站(可选)、四个以上GPS 浮标、安装在水下目标或载体上的水下导航收发机、陆基或船基数据处理与监控中心(简称数据控制中心)、水上无线电通信链路、水下水声通信链路组成，如图1。多个GPS浮标与水下导航收发机构成以浮标为基线的海面长基线水下定位导航系统。 其中，GPS卫星星座、差分基准站和浮标GPS天线用于提供“海面动态大地测量基准”，包括浮标动态长基线水下定位网的起算基准和时间基准；水下导航收发机的发射器、浮标定位水听器组成了水下定位子系统，该子系统采用水下差分方式定位，水下无需高稳定频标；数据控制中心和水下导航收发机的水声通信换能器组组成了水下通信链路；差分基准站到数据控制中心、GPS浮标到数据控制中心的无线电收发装置组成了海面无线电通信链路；水上数据处理中心、系统状态监控、水上用户接口组成了数据监控中心；水下数据处理、用户接口组成了水下用户接口。 二、系统基本工作模式 1．水上跟踪模式——用户在水上 当水上用户需要跟踪水下目标(或动态定位)时，就从数据控制中心的监控界面向水下导航收发机(安装在水下目标上)发送定位请求信号，水下导航收发机激活后向GPS浮标发射定
无人水下航行器的发展与展望
无人水下航行器的发展与展望 【摘要】以无人水下航行器的发展趋势与功用为主题，介绍了无人水下航行器的特点和使命，阐述了无人水下航行器的发展历程和研究现状，重点介绍了美国在无人水下航行器方面的发展过程和发展方向。最后展望了其未来发展重点及在军事方面的广泛应用。 【关键词】无人水下航行器；发展；功用；展望 1.引言 无人水下航行器[1]（UUV，Unmanned Under-water Vehicle）是以潜艇和水面舰艇为载体，具有长时间续航能力，并且可回收的小型智能武器装备，它的主要功能包括水下侦查、遥控猎雷和作战。 近几年，UUV技术得到了快速发展，总体可将其概括为应用于无人水下航行器，并保障其能够顺利执行各种任务的技术。到目前为止，基本上包括六项相关技术：长续航力推进、水下通信、相关导航、任务管理与控制、传感器及信号处理和航行器的设计。 在现代战争中，信息起着至关重要的作用。在新世纪，信息战是现代战争的主导模式。与此同时，信息战也在向反潜战中延伸，水下信息战必定会出现在未来的反潜战场。在未来的水下信息作战中，UUV的作用将逐渐凸显，对未来战争将起着不可忽视的作用。如今，世界上各国对如何掌控水下信息都十分的关注，美国、俄罗斯、欧洲、日本等海军强国，都在紧锣密鼓的研究UUV技术，并用它们来搜索、控制和组建水下信息网络。 2.UUV的特点、使命和功能 UUV是一种新概念武器，由于它的自主性、灵活性和多用途性，决定了它在水下战场将起到至关重要的作用以及在多领域的广泛应用。 2.1 UUV具有的特点[2] 1）作战用途广。可依据具体作战需要，进行使命重构，搭载相应的任务模块，担负不同性质的任务。 2）智能程度高。可以采用最新人工智能控制技术，可自主进行航路规划、障碍物规避、目标运动要素解算及战术机动等，自主完成各项作战任务。 3）隐身性能好。水下物体本身就不容易被探测到，再加上UUV自身的制作材料采用新的隐身材料，采用隐身技术，降低噪音技术等等，使其很难被敌方探测并捕捉。
水下地形测量技术设计书
开封市龙亭湖清淤改造工程 水下地形测量 技术报告 测绘单位：河南科瑞测绘服务有限公司编写人： 技术负责人： 日期：二零一五年九月十二日
目录
开封市龙亭湖清淤改造工程水下地形测量技术报告 1、测区概况及任务情况 龙亭湖地处河南省开封市龙亭区龙亭公园旅游区内，是开封市的重要旅游景点之一，交通便利，湖内可通航旅游船只。本次测量龙亭湖1:500水下地形图的主要目的是为了计算湖底清淤的工程量，为后期清淤施工提供计算依据。龙亭湖又分东西两湖，本次需要测量西湖的水下面积约平方公里，东湖的水下面积约平方公里。 2、资源配置 本项目测绘共投入人员7人，其中工程师2人，助工3人，技师1人，技术员1人。 本次共投入3台Trimble R8 双频GPS接收机（1+2型）；南方SDH28测深仪1台，测量船1艘，DS03型水准仪1部，IBM笔记本电脑1部；联想台式电脑2台，对讲机3部；佳能打印机1台。 3、平高系统 平面采用开封独立坐标系，高程系统1985国家高程基准。 各项转换参数根据已知点数据情况确定。
4、作业依据 （1）《水利水电工程测量规范》(规划设计阶段) SL 197-2013；（2）《水利水电工程施工测量规范》DL/T 5173-2003； （3）《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009； （4）《国家三、四等水准测量规范》 GB/T 12898-2009； 5、野外测设方案 本次测量所采用的仪器都经过法定计量部门的检定并出具有仪器检定证书。 控制点平面测设采用静态GPS测量，控制点高程采用水准测量，精度满足相应等级要求。 水下地形测量基本上在无雨、风的天气进行，采用断面法施测，先在测深仪导航软件下，预先按技术要求做好断面设计线，设计线根据湖面情况布置成与水流方向大致成垂直的方向，断面间距为20m左右，测点间距10~20m。 将GPS RTK仪器安装在测深仪探头上，船上GPS RTK仪器应与测深仪平面位置一致，并保证测深仪垂直于水面。 精密量测测深仪探头到GPS几何中心的垂直高，作为GPS RTK天线高，将测深仪吃水水深定位0，直接采用下式求出水底高程：h实际水面=hGPS 几何中心-DGPS 天线到测深仪探头 h水底点高程=h实际水面-h测深
海底地形辅助导航SITAN算法的改进
总第169期2008年第7期 舰船电子工程 Shi p E l ectron i c Eng ineer i ng V o.l28N o.7 69 海底地形辅助导航SITAN算法的改进* 郑 彤1),2) 王志刚1) 边少峰1) (海军工程大学导航工程系1) 武汉 430033)(海军驻四三八厂军事代表室2) 武汉 430064) 摘 要 利用海底地形辅助导航是水下载体导航技术致力研究的新方向,在利用多波束测深系统测量真实地形数据的基础上,采用S I TAN算法作为对准匹配算法,对传统的S I TA N算法加以改进,进行仿真计算,得到水下载体的最佳匹配位置,以提高水下载体的导航精度。仿真结果表明,改进后的SITAN算法更能满足导航的精度要求。 关键词 水下载体;SITAN算法;多波束测深系统;地形匹配;导航 中图分类号 U666.11 I m prove m ent on SI TAN A l gorith m fo r Seabed T errai n-A i ded Nav i gati on Zheng Tong1),2) W ang Zh igang1) B ian Shao feng1) (In stitute of N av i g ati on Eng i neer i ng.,N av al U n i v.o f Eng i nee ri ng1),W uhan 430033) (M ilitary R epre sen t a ti ve O ff i ce i n t he438t h F acto ry2),W uhan 430064) Abstract T e rra i n m atching assistan t nav iga ti on is a ne w m e t hod i n nav iga tion techno log y o f t he underw ater vehic l es.In t h is paper,t he rea l terrain da ta a re m easured by M ulti-bea m soundi ng syste m,and S I TAN a l go r it h m is selected a s a reg istra ti on m a tch i ng a l g o rith m.F ur t her m o re,t he a l g o rith m is deve l o ped based o n the conv en tional SITA N a l go r it hm.B ased on t he m ea s ured t e rra i n da ta and the a l g or it hm,the accu m ulati v e erro rs o f t he ine rtia l nav i g ati on sy ste m can be co rrec ted and t he opti m al m a tch i ng po sition can be go tten.In t he result t he precision o f the nav iga ti on is fulf ill ed by SITAN a lgo rith m t o be i m pro ved stil.l Key w or ds the under w ater vehic l es,SITAN algo rith m,m ulti-bea m so und i ng sy st em,terra i n m a tch i ng,ine rtia l nav i g a ti on s y ste m C lass Nu m be r U666.11 1 引言 目前水下载体的导航主要采用惯性导航系统(I N S),由于惯性导航系统的误差随时间累计发散,无法长时间保持高精度。在这种情况下,必须要通过其它导航方式(比如海底地形辅助导航[1~7])露出水面接收无线电导航信号,或者发射声波利用多普勒计程仪测量对地速度实时或定期修正I N S,这样都有可能会暴露潜艇的隐蔽地点,降低潜艇的隐蔽能力和发起突然袭击的能力。 海底地形辅助导航系统是近几十年出现的一种新型的导航系统,是水下运动载体导航技术的一个发展方向,它是利用地形的特征信息实现载体自主、隐蔽、连续、全天候的精确导航海底。围绕这门技术产生了许多算法,已有的匹配算法主要包括地形轮廓匹配算法[8~10](Terra i n Conto ur M a tching)、惯性地形辅助导航[11~14](Sand i a Intertia lT erra i n-A i d ed Nav igation)算法和等值线匹配算法[15~19] (Itera tive C losest C on tour Po i n,t I CCP),其中上世纪70年代美国桑迪亚实验室提出的S I T AN算法采用了扩展卡尔曼滤波算法,具有较好的实时性,已在飞行器导航中获得了广泛地应用。 SI TAN系统由I N S、测深测潜仪、数字地图以及数据处理装置组成,如图1所示。在出发位置,是根据惯导系统输出的位置,在数字地图上找到地形高程,而惯导系统输出的绝对高度与地形高程之 *收稿日期:2008年4月8日,修回日期:2008年4月15日 基金项目:国家自然科学基金项目(编号:40644020)资助;国家杰出青年科学基金项目(编号:40125013)资助。 作者简介:郑彤,女,博士研究生,研究方向:舰船导航与海洋地球物理。